一、系统建设背景
矿井通风系统是矿井安全生产最重要的辅助生产系统。以往矿井安全事故统计发现，但凡能造成重特大事故发生的，一般都与通风系统有关，或者是通风系统不合理，或者是通风系统本身就没有完整地形成，导致有毒有害气体集聚、瓦斯爆炸、煤尘爆炸等重特大事故。随着矿井生产的不断推进，矿井通风系统需要相应动态调整，以满足井下用风点对新风的需求，并将井下污风排出井外。
智能通风是未来矿井通风发展的趋势。通过前端传感器采集准确可靠的现场数据，经过矿山通信系统将主要监测点数据汇总到控制中心，基于地面三维通风智能决策分析系统对通风实时数据进行分析决策，控制中心将通风调度和系统调整指令发送给调风执行机构。智能通风系统建设的目标是实现按需通风，保障安全生产、降低通风能耗。煤炭工业智能化矿井设计标准(GB/T51272—2018)首先提出矿井需监控全矿通风网络的运行状态参数，实现矿井通风网络和主要通风机工况模拟解算、各类风门自动控制和远程控制、主要通风机自动无级调节、一键式操作且无人值守等功能规定。各省智能化矿山建设标准均对矿井智能通风系统建设提出了要求，总体包含三个方面：
（1）实时可视化通风管理：从地面实时对全矿井通风系统进行参数监控，以三维通风网络模型为基础进行通风系统动态分析，实时提出通风系统调整方案，通过执行机构动态调整风机、风门、风窗工作状态，从而实现全矿井按需通风，帮助降低能耗、保障安全生产。
（2）通风系统动态优化、按需供风：智能通风系统通过使用实时数据，不断优化矿井风流配置，以实现矿井中所有采场、掘进面和其他工作区域的动态风量要求，并在全矿井供风量达到峰值时，按照区域优先级保障重点区域通风需求。
（3）企业合理投资、最大限度兼容现有设备：智能通风系统需最大限度的兼容现有通风设施，并增加必要的参数传感器和控制装置。
通风系统数值分析模型的建立、以及对井下主要位置实时风量的精准测量是实现智能通风的前提。准确的通风系统数值分析模型是建立智能通风系统的基础，金码在该领域具有十五年的经验积累，公司研发的GinVent三维智能通风决策分析平台具有完全自主知识产权，软件平台达到国际先进水平，是目前为数不多的兼具三维通风数值分析、智能通风分析决策和通风数字孪生功能的专业软件平台，可定制对接任意第三方系统和硬件设备，为矿井智能通风系统建设提供软件支撑。
二、GinVent智能通风决策分析平台
GinVent三维智能通风决策分析系统以流体力学和空气热力学为基础，通过对包括巷道、掘进面、采场、风机和通风构筑物等在内的通风网络分支进行建模和参数设置，通过网络解算，系统可模拟计算整个矿井通风网络中的风量、阻力、热量、温湿度、烟雾、粉尘和气体浓度动态分布，并以三维动态图形方式进行展现。GinVent可模拟火灾状态下矿井通风网络参数动态变化。
GinVent系统平台实现矿井通风全要素、全流程、全数据的集成和融合，达到当前矿井通风系统风流最优配置、灾害情况下风流快速调整和重点保供、未来通风系统调整方案及效果定量预判。 通过三维建模，系统将复杂的通风参数和通风过程以三维动态图形的方式简单、直观的展现出来，基于GinVent平台，矿井通风管理人员可进行：矿井通风系统管理与优化，通风系统薄弱环节三维可视化展现与实时数据报警(如：风速过大、微风、污风循环)，通风系统调整方案制定及预先仿真模拟（如：预测巷道贯通、延伸、密闭、工作面搬迁或者风机叶片角调整后通风系统通风能力和稳定性），应急预案制定及避灾线路动态分析，风机工况点展现和假设性预测，自然风压分析，井下岩温、风温及火灾条件下非稳态通风系统模拟分析，反风演习模拟与分析、通风系统经济性分析，通过接入风机、井下环境参数、精准测风数据、主要有毒有害气体参数、通风构筑物状态数据，可实现智能分析、实时按需调风，帮助矿井实现实时、动态、合理和科学的通风管理。
GinVent系统通风网络解算算法经过多年实际工程验证，软件计算结果在复杂通风系统矿山中得到验证。系统适用于包括煤矿、金属非金属矿井在内的井工矿山，系统既可作为矿山建立智能通风系统的通风网络解算与通风决策分析支撑平台，也可以用于生产矿山通风管理、井下环境与通风能耗参数管理的重要工具。
2.1智能通风系统整体架构
矿井智能通风系统是一项复杂的系统工程，关键技术包括：通风系统数值分析模型的建立与动态维护、井下主要位置通风参数实时精准测量、通风网络实时解算与数据可视化展现、基于实时数据的动态调风与控风策略制定与迭代优化，通风系统灵敏度与可靠性分析与检验、通风能效的评价与管理等，应用计算机信息技术与人工智能技术，结合矿井通风专业技术，建立安全、可靠、经济、实用的矿井智能通风系统，逐步实现矿井通风系统的自动化和智能化，将对矿井安全生产和减员提效起到重要作用。
智能通风系统不是一蹴而就的，不是一个项目、一个工程就可以完全建成的。智能通风系统建设需最大限度兼容矿井现有通风设施，通过整体规划、分步投资、分步实施的方式来建立。智能通风系统项目实施步骤通常如下：
第一步：采用专业软件系统对全矿井通风网络和通风基础设施进行三维建模和分析，建立通风网络解算平台，网络解算平台需具备数据兼容性和易维护性，解算分析平台需具备数据接口，可以接入第三方子系统的数据，同时也应具备数据接口将解算分析数据自动提供给自动化控制系统。
第二步：对现有风门、风窗、风机设备进行升级改造，实现主要通风设施在线监测与远程自动控制，并将通风设施在线控制系统主要数据接入通风网络解算分析平台，实现数据同步与联动控制。
第三步：将矿井现有监测监控系统、测风系统、视频监控系统、火灾监测系统、人员定位系统等系统主要传感器数据接入通风网络解算分析平台，基于优化设计的通风系统，提出新增精准风速传感器、压差传感器、和多参数环境传感器布置要求，并将新增传感器接入网络解算平台。
第四步：基于矿井实际，优化制定智能控风策略，智能通风系统基于前段传感器实时数据、三维数值分析平台实时解算，以符合实际的智能控风策略驱动前端通风设施动作，完成动态调风和按需供风。
第五步：智能通风系统不是一蹴而就的，随着生产的推进，数值分析模型、智能控风策略都需要迭代演进，确保模型准确有效，智能通风系统才会自动使用最新实时数据自动计算调风、控风参数，并与前端设备联动实现智能调风。
典型智能通风系统逻辑结构图如下图所示：
典型矿井智能通风逻辑结构图
2.2 GinVent智能通风决策分析平台
矿井智能通风分析管理系统主要应用于矿井通风设计与通风系统调整、通风系统优化方案分析、风机工况点分析、调风方案制定、风温计算、循环风预测、反风演习、通风系统经济性分析以及以通风仿真为基础的通风决策支持等领域，使用该系统可以帮助矿山企业进行合理的通风管理及长期的规划，帮助节约通风成本、保障安全生产、提升矿山企业整体形象。
矿井智能通风分析管理系统采用先进的计算机图形、数据库应用技术和虚拟现实技术。通过三维建模，用户将复杂的矿井通风过程以三维图形的方式简单、直观的展现出来，用户可从任意角度观察和调整通风系统，实现了巷道风量分配的实时解算，为矿井通风决策人员提供数据依据。通过对不同区间数据进行着色，通风过程的关键数据和薄弱环节一目了然。
系统提供通风经济性分析工具，在三维可视化的环境中对通风方法的安全性、合理性和经济性进行分析，在保证通风系统安全的前提下合理节约通风成本。
真三维可视化系统平台为矿井通风管理提供了全新的操作平台。在系统中，我们通过建立通风网络模型，设置污染源位置，便可以在三维环境下直观的看到污染源的影响范围和扩散过程。矿井智能通风分析管理系统同样可应用于矿井安全知识培训方面，通过真三维通风决策分析系统，通风安全专业问题被直观的展现出来。
2.3 技术参数
GinVent矿井三维智能决策分析系统平台主要功能包括：
1、基于三维可视化通风仿真图形管理平台，需兼容AutoCAD图形数据，可直接导入AutoCAD图形文件自动生成基础通风网络拓扑图形，同时将建立好的三维通风立体图形直接输出为AutoCAD图形文件，可定制开发Web端通风在线监测智能决策大数据分析平台，实现三维解算平台与Web端在线监测平台的无缝融合；
2、系统包含完善的通风网络解算数据库，网络分支可按竖井，巷道，掘进面，采场，风机安装点和通风调节点等进行分类建模和参数设置。
3、系统基于高效、成熟的通风网络解算算法，解算算法经过多年矿井通风工程实际数据验证，算法可靠性高，解算结果准确。系统解算算法在超1000米深井矿山得到准确验证。精度标准：模拟风门开关状态变化，关联位置实测风量与解算风量误差小于5%。。
4、系统具备通风网络实时解算；通风网络调节仿真；通风网络优化与节能；安全监控系统相关数据实时显示；系统需支持自然分风解算和强制分风解算，可对任意风路固定风量、固定风压，实现风流按需分配解算和通风系统动态仿真模拟；
5、可建立矿井测风数据分析系统，功能具备测风数据编辑、查询与分析，可基于长期实时测风数据进行趋势分析，测风数据与模拟数据对比分析。
6、系统具备定制开发能力，可定制开发安全监测系统、人员定位系统、视频监控系统、火灾监测系统、局扇控制系统、主扇控制系统、风门风窗控制系统等第三方系统数据接口，将第三方系统数据集成到三维通风模型中，通过多元数据融合，在矿井实时通风网络解算的基础上，基于安全事件进行预警或动态调风。GinVent系统支持定制开发接入任何第三方系统数据。
7、动态解算和风网风流状态模拟；自动根据风量要求反算调节风阻和调节风窗面积，动态模拟风门、风窗、密闭等通风构筑物设置和风量调节效果。
8、可在三维通风网络模型的基础上，采用通风网络解算和数值分析方法，动态预测贯通、延伸、新掘或废弃巷道分支后通风系统的风量分配和风机工况点；可计算并动态模拟井巷断面或长度变化后通风系统的变化；可进行风机需求分析和动态模拟。
9、实现主要通风机不同工况下矿井通风网络解算方案的比较与同步，或者同一方案的历史解算数据比较。可在同一模型上设置多种通风局部设计方案，进行假设性建模，系统可对假设条件下的解算结果进行对比分析，帮助更快验证和确定最优设计方案；
10、基于矿井巷道布置图构建矿井三维通风拓扑关系，并实现全矿井风流、各类避灾路线、应急救援路线等展示与模拟。系统具备应急救援路径快速分析功能，可根据不同的灾害源头和灾害种类快速分析灾害覆盖范围和扩散路径。可快速计算井下不同位置区间距离最短路径或风流最快路径。可动态模拟井下烟雾、粉尘、有害气体浓度、扩散路径和扩散时间，辅助进行灾害预案制定和紧急情况下人员撤退路径分析；建立污染物模拟，帮助通风人员判断污染物的源头、污染区域及污染物排出井口时长；通过污染源定位通风人员可快速精准定位污染源的空间区域；通过火灾模拟，为通风人员制定应急预案提供科学参考依据。
12、在三维通风立体图形上动态显示风流方向和相关通风参数，动态显示的风流方向和风流速度真实反映井下巷道风流关系。具备可视化展现方法对各项数据设置颜色图例，方便通风技术人员发现通风系统的薄弱环节或风网优化方向；
13、系统可根据规程要求，按巷道类别设置风速、温度最低或最高值，当模拟或实时数据超出要求范围时，系统可自动报警并统计数据。
14、 系统需具备任意风路定点优化调节功能，可根据风量分配要求批量优化设置调节风窗，在通风网络解算和数值分析的基础上，对风门、风窗、密闭等通风构筑物风量调节效果实现预先仿真模拟、可靠性展示和经济性分析;
15、三维通风动态模拟系统应具备主辅扇、局扇参数分析和运行模拟功能。可对通风系统当前的风机参数（如：风压、风量、效率等），进行模拟，对通风系统调整后的风机工况点进行预测。可进行风机开停、调速动态运行模拟；
16、系统需具备成熟的井下空气环境参数定量分析功能，可对井下风温、岩温、空气湿度进行定量计算，可定量分析巷道围岩、井下大型机械设备运行等对井下空气温度和湿度的影响，可定量分析井下温度和空气密度变化对风机工况点的影响；可定量分析冬季进风预热功率及井下相应的环境参数。
17、系统具备成熟的矿井火灾模拟算法，可以对井下不同类型火源进行建模，预先模拟分析火灾不同阶段对整个风网的影响，并形成火灾时期和非火灾时期主要通风参数对比，为预防火灾、制定应急预案和调风措施以及井下火灾紧急救援提供科学数据支撑。
18、矿井通风网络串联调节、串联通风和污风循环自动检测，可在三维图形中进行最大风阻路径、两点间距离最短路径、风流最快路径分析，并动态展现；
19、可对井下爆破排烟、排尘进行动态扩散模拟分析，动态显示粉尘、烟气扩散过程，分析每条巷道粉尘浓度峰值及时间点；
20、系统具备完善的通风网络报告功能，建模完成后，系统自动按照通风网络关键数据生成统计报告，并以图形方式展现；
21、系统可通过二次开发接入三维激光扫描点云数据，可定制开发数据通信接口，将矿井井下各子系统数据接入三维模型，也可将模型解算结果数据通过程序自动反馈给第三方系统。
2.4系统功能特点
1.金码软件公司在通风仿真领域具有15年技术开发和项目积累，系统经过大量工程验证和大量矿山现场检验，功能成熟，系统稳定，系统代表了通风数值模拟分析和通风实时三维展现的先进水平。通过大量矿山、设计院、高校客户应用证实：金码公司“矿井三维智能通风决策分析系统”是目前矿井通风专业功能性、实用性和易用性相对优秀的软件系统。
2.系统基于真三维可视化平台，系统界面直观、简单易学、后期维护简单。三维通风仿真系统兼容AutoCAD数据，可直接在现有ＣＡＤ格式图形文件基础上进行建模（导入巷道中心线、赋断面参数、拐点标高等），系统模型与实际矿井比例为1:1，可任意角度旋转、缩放、移动三维模型。通风系统模型直观反应矿下巷道的实际空间位置关系，整个矿井的通风方式、各通风设施一目了然、易于理解和掌控；
3.系统支持复杂风网（可支持30000条巷道），解算速度快，基本实现实时解算、风流动态展现，解算数据和实测数据误差小，可直接指导通风管理和应急救援。
4.多方案对比模拟功能：可针对可能的多种通风系统优化方案或局部通风方案进行假设性建模，系统可对假设条件下的解算结果进行对比分析，帮助更快验证和确定较优设计方案；
5.系统支持定制开发，通过开发可定制接入安全监测系统、人员定位系统、视频监控系统、火灾监测系统、局扇控制系统、主扇控制系统、风门风窗控制系统等第三方系统数据接口，将第三方系统数据集成到三维通风模型中，通过多元数据融合，在矿井实时通风网络解算的基础上，实现实时预警或动态调风。
6.系统具有完全自主知识产权，技术自主可控，可以根据甲方的需求进行定制开发。系统支持针对大型集团客户进行定制化开发，金码软件为系统提供长期稳定可靠的升级和维护服务。
图1 三维通风决策分析系统
图2 工作面回路
图3 根据参数或属性类别设置巷道不同颜色
（红色-回风巷道，绿色-新风巷）
通风网络解算是系统的基本功能之一，也是支撑智能通风系统的底层逻辑。对当前通风系统进行优化分析，对风门、风窗、风机的定量控制都离不开通风网络解算。GinVent系统可在同一个工程文件中实现不同阶段和不同方案的管理和数据对比分析。在建立通风系统模型后，对其进行通风网络解算，进而根据通风系统调整的需要，在现有通风系统模型的基础上可进行以下网络解算：
1) 新掘巷道及巷道的贯通和密闭分析与预先模拟；
2) 模拟井巷断面或长度变化；
3) 模拟风门设置、拆除及调节风窗开合度变化，可接入风门风窗实时数据，实现实时调风；
4) 模拟风机数量、位置和工况点，多风机并联或串联通风模拟或控制；
5) 风机特性曲线模拟及变频调速。
6) 自然分风和按需分风解算分析；
7) 同一工程文件内编辑、管理不同阶段时期或不同方案的通风系统，并分别进行通风网络解算。
准确可靠的三维通风数值分析模型是智能通风决策分析的基础，是智能通风系统成功运行的关键。
2.5 GinVent与第三方数据集成
目前，智能通风已经成为井工矿井发展的必然趋势。通过布置前端传感器采集井下环境、通风构筑物、风机等准确可靠的现场数据，通过网络将主要实时数据汇总到控制中心，基于地面三维通风决策分析系统对通风实时数据进行分析决策，控制中心将通风调度和系统调整指令发送给调风执行机构。从而实现按需通风，降低通风能耗，保障安全生产。
图5 接入文本、数据库、Modbus实时数据
GinVent三维智能通风决策分析系统需接入的设备和系统包括包括：
（1）主扇、局扇风机：变频调速、风机开停；
（2）通风设施：风门、风窗、其他增阻设备（监测状态、自动控制）；
（3）监控数据：实时通风参数（风压、风量或风速、温度、湿度、大气压），一氧化碳等气体参数，粉尘、柴油机尾气等环境参数；
（4）其它系统数据：监测监控系统、人员定位系统、精准测风系统、车辆调度数据（按需调风）、视频监控系统、束管监测系统、避难硐室在线监测等。
GinVent通讯接口需支持多种协议，主要包括：ModbusTCP/ SCADA/SqlDataSource/txt/csv等。
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